提高连续光近红外脑功能检测灵敏度的研究

摘要

功能近红外光谱术（functional Near-infrared Spectroscopy，fNIRS）通过测量皮层血液动力学信号来反映脑功能活动。相比于其他技术，fNIRS兼顾了时间分辨率和空间分辨率，而且对被试和环境限制小，适合儿童、老人以及病人的研究，尤其是适合应用到与脑健康相关的研究中。目前，fNIRS的潜力还没有得到充分发掘，提高对脑功能活动的检测灵敏度是推动fNIRS研究进一步发展的关键因素。对于fNIRS脑功能检测灵敏度的提高，研究内容包括，在体检测关键问题的分析与解决，高电气性能仪器的研制，以及数据分析方法的发展。本研究主要内容包括：
　　⑴对影响近红外脑功能在体检测信号质量的关键问题进行了研究。分析了实际测量中存在的规则小波动噪声的信号特性，从数学上推导了规则小波动噪声的产生机制，证明规则小波动噪声来源于调制频率或者采样频率的偏差，并从光源调制和数据采集设计上对规则小波动噪声进行了抑制和消除；对光源光纤和探测光纤的数值孔径与近红外脑功能在体检测信号质量之间的关系进行了分析，得出探测光纤数值孔径越大，光源光纤数值孔径越小，近红外脑功能在体检测的信号质量越高的结论，据此指导近红外仪器光纤部件的设计，以提高仪器在体检测的信号获取能力；探头帽是影响在体检测效果的重要因素，本文对探头帽的设计需求进行了分析，根据实验过程中是否涉及头部运动，设计了套筒直插式和弹性压帽式两种探头帽光纤固定方式，提出了实用性高、适用性广的探头帽基底设计方案，并提出了近红外技术与其他技术联合的多模式探头帽设计方案。
　　⑵实现了一款高电气灵敏度的连续光近红外脑功能仪器，噪声等效功率达到0.1pW，时间分辨率大于100 Hz。使用数字化设计、高速同步采样、配置大锁定点数和均值滤波器的数字锁定算法，以及提出调制频率和采样频率的设定规则，来保证仪器的噪声抑制能力；通过调制点亮光源、高速同步采样、以及优化控制软件（采用生产者-消费者模式，空间换时间策略，LABVIEW与 MATLAB混合编程）来保证仪器的时间分辨率。通过前臂血管阻断实验验证了仪器的血氧检测能力。通过棋盘翻转视觉实验验证了仪器的在体脑功能活动检测能力，其中，视皮层光神经信号检测结果进一步证明了仪器的在体检测灵敏度。
　　⑶为促进高灵敏的近红外光谱术在脑功能研究中的应用，以执行控制任务下近红外脑连接研究为例，用多种数据分析方法进行研究，建立了更全面有效地分析近红外光谱测量数据的方案。通过 Stroop任务下双侧前额叶的功能连接分析，在验证了近红外脑连接分析方法用于高级复杂认知任务研究的可行性的基础上，不仅从功能连接、脑激活、以及行为表现等多个角度对Stroop任务下的脑功能偏侧化特性进行了分析，而且从能反映了脑区间交互作用的因果关系和信息流向的效应连接角度，对脑功能活动的动态信息传递模式进行了描述。结果表明，近红外光谱术结合多种数据分析方法可以更灵敏的揭示大脑功能活动信息。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 脑功能活动研究概述

1.3 近红外脑功能研究

1.4 脑连接研究

1.5 本文主要内容

2 高灵敏近红外脑功能在体检测关键问题研究

2.1 引言

2.2 规则小波动噪声

2.3 光纤数值孔径对在体检测信号质量的影响

2.4 近红外脑功能检测探头帽设计

2.5 本章小结

3 高灵敏近红外脑功能仪器的实现与评估

3.1 近红外脑功能仪器设计与实现

3.2 电气性能测试

3.3 在体实验测试

3.4 本章小结

4 基于功能近红外技术的Stroop任务下脑连接研究

4.1 引言

4.2 Stroop任务中双侧前额叶功能连接研究

4.3 Stroop任务中大脑功能偏侧化研究

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 本文工作的创新点

5.3 工作展望

致谢

参考文献

附录 作者攻读博士学位期间发表论文与研究成果